SUR LES TRACES DE LA BACTÉRIE ESCHERICHIA COLI DANS LE FLEUVE SAINT-LAURENT : PISTER LA BACTÉRIE À L’AIDE DE PARAMÈTRES GÉOGRAPHIQUES ET TEMPORELS
Par Marie-Ève Bourget-Boulanger
Essai présenté en vue de l’obtention du double diplôme Maîtrise en environnement
Master Gestion Intégrée de l’Environnement, de la Biodiversité et des Territoires
Sous la direction de François Guillemette
UNIVERSITÉ DE SHERBROOKE (Québec, Canada) UNIVERSITÉ DE MONTPELLIER (France)
i SOMMAIRE
Mots-Clés : Escherishia coli, E. coli, bactérie, fleuve Saint-Laurent, Québec, hydrologie, occupation du territoire, saisons.
Cet essai a pour objectif principal de brosser un portrait intégré de la distribution de la bactérie Escherichia coli dans le fleuve Saint-Laurent et ses sources afin de diriger les futurs efforts de mitigation. La bactérie Escherichia coli est un pathogène présent dans les milieux hydriques provenant des excréments humains et animaux. Cet organisme sert également d’indicateur de la qualité bactériologique marquant la présence de plusieurs autres bactéries ayant des risques sanitaires. La distribution de la bactérie Escherichia coli dans le fleuve Saint-Laurent est peu connue malgré les recherches effectuées par la ville de Montréal et le ministère de l’Environnement et Lutte contre les changements climatiques. Ce fleuve est un cours d’eau traversant le sud de la province du Québec, ses rives abritent la majorité de la population québécoise. La zone d’étude de cet essai est le tronçon fluvial, soit du lac Saint-François à la ville de Portneuf.
Les analyses effectuées dans le cadre de cet essai démontrent que la masse d’eau centrale abrite les zones où la concentration en Escherichia coli est la plus importante. Cette dernière est contaminée par l’usine d’épuration de la ville de Montréal. Le second secteur à surveiller est à l’embouchure de plusieurs rivières où l’agriculture près des rives est dominante. En plus des zones à surveiller, plusieurs zones possèdent un pouvoir de rétention d’Escherichia coli, c’est le cas de l’archipel des iles de Sorel et du lac Saint-Pierre. En plus de l’hydrologie du fleuve Saint-Laurent, la quantité de précipitation obtenue et la température ambiante lors de la journée d’échantillonnage sont directement corrélées avec la concentration en Escherichia coli. Lorsque les données sont rassemblées par saisons, la concentration bactérienne hivernale est corrélée avec la température de l’eau. En été, la concentration en Escherichia coli est liée à l’occupation agricole présente sur le bassin versant des tributaires se jetant dans le fleuve Saint-Laurent. Puis les effets saisonniers démontrent que l’été et l’automne sont les deux saisons où la concentration en Escherichia coli est la plus élevée.
Bref, ces analyses ont permis de cibler plusieurs problématiques reliées à la concentration de la bactérie Escherichia coli. Plusieurs recommandations sont donc listées dans le but d’améliorer la qualité bactériologique de l’eau du fleuve Saint-Laurent. Parmi ces recommandations, il est conseillé de procéder le plus rapidement possible à la modernisation des usines d’épuration des eaux usées en s’assurant qu’elle soit capable de supporter la densification de la population. De plus, il est proposé de réduire les superficies de sol à nu dans les secteurs agricoles en pratiquant des cultures de couvertures ou toutes autres solutions efficaces. D’autres recherches concernant l’impact de la bactérie Escherichia coli sont requises pour l’acquisition de connaissances sur la distribution de cette bactérie pathogène et ses conséquences sur l’environnement.
ii REMERCIEMENT
Je tiens à remercier toutes les personnes ayant contribué de près ou de loin à la rédaction de cet essai. Ces personnes m’ont appuyée en fournissant des informations ou en m’orientant dans mes recherches et mes analyses. De plus, il est important de souligner les gens ayant été capables de m’aider à conserver ma motivation ainsi que mon moral durant l’ensemble du projet. Malgré les circonstances d’isolement social causé par la Covid-19, tous ont fourni des efforts afin de permettre la communication et favoriser ainsi ma réussite.
D’abord, j’aimerais témoigner ma reconnaissance à mon directeur d’essai François Guillemette, ayant su m’orienter pour la rédaction et l’analyse. Il m’a donné la chance de travailler sur un projet innovant pouvant aider à l’amélioration de la qualité de l’eau du fleuve Saint-Laurent. De plus, il a été capable de partager sa passion pour ce sujet à chaque conversation. Je tiens à souligner également la disponibilité du CUFE et leur rapidité à répondre à mes questions.
Je remercie également l’équipe du laboratoire Guillemette qui m’a aidée pour la compréhension des données et pour leur participation à l’échantillonnage provenant du navire de recherche de l’Université du Québec à Trois-Rivières. Je suis reconnaissante également envers l’organisme de la zone d’intervention prioritaire les Deux Rives, à la ville de Montréal, et au Ministère de l’Environnement et Lutte contre les changements climatiques de m’avoir autorisée à utiliser plusieurs jeux de données me permettant l’interprétation statistique et spatiale lors de cet essai.
Je tiens à remercier ma famille, mes amis et mon amoureux m’ayant appuyée durant l’ensemble de ce processus. Je suis reconnaissante auprès des gens avec qui j’ai étudié dans le cadre de cette maîtrise. Ceux-ci ayant aidé à la rédaction de cet essai et m’ayant soutenue à la rédaction de ce sujet. Je remercie particulièrement ma mère Claudine Bourget et mon amie Jade Cantin qui ont relu ce texte lors de chacune des étapes de la rédaction.
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TABLE DES MATIÈRES
INTRODUCTION ... 1
1. EFFETS DE LA BACTÉRIE E. COLI DANS LES COURS D’EAU ... 4
1.1 Portrait de la bactérie Escherichia coli ... 4
1.1.1 Des cription biologique et origine de la bactérie ... 4
1.1.2 Problématiques sanitaires liées à la bactérie ... 5
1.2 Résistance de la bactérie en milieu hydrique ... 6
1.2.1 Habitats et temps de vie en milieu hydrique ... 7
1.2.2 Variables influençant la survie de l’E. coli dans l’environnement ... 7
1.2.3 Variation de la densité d’E. coli selon les saisons ... 9
1.3 Problématique de L’E. coli à travers le monde ... 10
1.3.1 Situation en Afrique ... 11
1.3.2 Situation en Europe ... 12
1.3.3 Situation en Amérique ... 13
1.3.4 Comparaison entre les continents... 13
1.4 Présentation du fleuve Saint-Laurent ... 14
1.4.1 Paysage fluvial de la zone d’étude... 14
1.4.2 Masse d’eau verte ... 16
1.4.3 Masse d’eau brune ... 17
1.4.4 Rivières présentes dans la zone d’étude ... 18
2. DYNAMIQUE DE L’E. COLI DU TRONÇON FLUVIAL DU SAINT-LAURENT... 24
2.1 Description des bases de données ... 24
2.1.1 Mission Saint-Laurent 2017 et 2018 ... 25
2.1.2 Programme Courdo de la ville de Montréal ... 25
2.1.3 Réseau-rivières et réseau-fleuve ... 25
2.1.4 Zone d’intervention prioritaire (ZIP) les Deux Rives du lac Saint-Pierre ... 26
2.2 Distribution des E. coli dans le fleuve Saint-Laurent ... 26
2.2.1 Distribution d’E. coli sur le tronçon fluvial ... 27
2.2.2 Sources d’E. coli dans le fleuve ... 29
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2.3 Rôles hydrologiques de la distribution de la bactérie E. coli dans le fleuve ... 34
2.3.1 Paysage fluvial ... 34
2.3.2Effets des saisons ... 37
2.3.3 Occupations du territoire ... 39
3. RÔLES DES RIVIÈRES ET DES SAISONS DANS LA DISTRIBUTION DES E. COLI EN MILIEU FLUVIAL ... 41
3.1 Charge d’E. coli des différents cours d’eau ... 41
3.1.1 Effets de l’occupation du territoire sur la concentration en E. coli ... 41
3.1.2 Effets des tributaires sur les masses d’eau fluviales ... 44
3.2 Facteurs territoriaux et météorologiques influençant les E. coli ... 48
3.2.1 Facteurs territoriaux influençant les tributaires ... 48
3.2.2 Facteurs météorologiques sur l’ensemble du territoire ... 50
3.3 Influence de la saisonnalité dans les dynamiques de l’E. coli ... 51
3.3.1 Période hivernale ... 51
3.3.2 Période printanière ... 53
3.3.3 Période estivale ... 54
3.3.4 Période automnale ... 56
3.3.5 Données saisonnières sur l’ensemble de l’année 2017 ... 57
4. RECOMMANDATIONS ... 60
CONCLUSION ... 63
RÉFÉRENCES ... 66
v LISTE DES FIGURES
Figure 1.1 Illustration d’une colonie d’Escherichia coli ... 4
Figure 1.2 Cycle de la bactérie Escherichia coli... 6
Figure 1.3 Carte de la zone d’étude entre le lac Saint-François et la ville de Portneuf, illustrant les rivières et les lacs fluviaux ... 15
Figure 1.4 Diagramme de l’occupation du territoire en pourcentage des bassins versants des rivières se jetant dans le tronçon fluvial ... 23
Figure 2.1 Carte de la distribution des sites d’échantillonnages et leurs bases de données initiales ... 24
Figure 2.2 Carte de la distribution en E. coli en juillet 2017 et 2018 ... 27
Figure 2.3 Carte de la distribution d’E. coli en aval du lac Saint-Pierre ... 29
Figure 2.4 Schémas décrivant le type d’égout unitaire (haut) et séparatif (bas) ... 30
Figure 2.5 Carte de la distribution en E. coli en juillet 2017 et 2018 dans le secteur du lac Saint-Pierre ... 33
Figure 2.6 Carte de la distribution en E. coli en juillet 2017 et 2018 dans le secteur des lacs Saint-François et Saint-Louis ... 35
Figure 2.7 Diagramme de la variation de la concentration en E. coli en hiver (H) et au printemps (P) ... 38
Figure 3.1 Diagramme de la distribution de la qualité bactériologique (E. coli) des 15 rivières à l’étude, ayant entre 9 et 12 échantillons par rivières ... 41
Figure 3.2 Carte de distribution des masses d’eau dans la zone d’étude. A. Secteur de Cornwall à Contrecœur B. Secteur de Contrecœur à Québec. ... 47
Figure 3.3 PLS saisonnière des variables territoriales, physicochimiques et météorologiques étudiées tentant de prédire la concentration en E. coli dans le fleuve Saint-Laurent A. Hiver B. Été ... 49
Figure 3.4 ACP illustrant les composantes météorologiques sur l’ensemble des données A. représentant les composantes 1 et 2 du modèle B. représentant les composantes 2 et 3 du modèle ... 50
Figure 3.5 Diagrammes de la variation de la concentration en E. coli pendant la période hivernale 2017 A. ensemble de la zone d’étude B. Montréal et ses environs C. Lac Saint-Pierre rive nord D. Lac Saint-Pierre rive sud ... 52
Figure 3.6 Diagrammes de la variation de la concentration en E. coli pendant la période printanière 2017 A. ensemble de la zone d’étude B. Montréal et ses environs C. Lac Saint-Pierre rive nord D. Lac Saint-Pierre rive sud ... 53
Figure 3.7 Diagrammes de la variation de la concentration en E. coli pendant la période estivale 2017 A. ensemble de la zone d’étude B. Montréal et ses environs C. Lac Saint-Pierre rive nord D. Lac Saint-Pierre rive sud ... 55
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Figure 3.8 Diagrammes de la variation de la concentration en E. coli pendant la période automnale 2017 A. ensemble de la zone d’étude B. Montréal et ses environs
C. Lac Saint-Pierre rive nord D. Lac Saint-Pierre rive sud ... 56 Figure 3.9 Diagrammes de la variation de la concentration en E. coli en fonction des
saisons A. ensemble de la zone d’étude B. Montréal et ses environs
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LISTES DES ACRONYMES, DES SYMBOLES ET DES SIGLES ACP ADN °C CDOM ECCC E. coli EFE km km2 LSP m m3/s MDDEFP MELCC mL MRC MSL MTL pH PLS Programme Courdo RSMA SHU St/ Ste UV UFC UQTR ZIP
Analyse de composante principale Acide désoxyribonucléique Degré Celsius
Matière organique dissoute colorée
Environnement et changement climatique Canada Escherichia coli
Écosystèmes forestiers exceptionnels Kilomètre
Kilomètre carré Lac Saint-Pierre Mètre
Mètre cube par seconde
Ministère du Développement durable, de l’Environnement, de la Faune et des Parcs
Ministère de l’Environnement et de la Lutte contre les changements climatiques Millilitre
Municipalité régionale de comté Mission Saint-Laurent
Montréal
Potentiel hydrogène Partial least square
Bilan annuel de la qualité de l’eau en aval de la station d’épuration des eaux usées de la ville de Montréal publié par le Réseau de suivi du milieu aquatique (RSMA)
Réseau de suivi du milieu aquatique Syndrome hémolytique et urémique Saint/Sainte
Ultra-violet
Unité formant une colonie
Université du Québec à Trois-Rivières Zone d’intervention prioritaire
1 INTRODUCTION
Puisque l’eau représente la vie, il est primordial d’en connaitre sa qualité, c’est la raison de l’intérêt porté sur la bactérie Escherichia coli (E. coli). Celle-ci provient des excréments humains et animaux et peut survivre en conditions favorables jusqu’à trois mois dans l’eau naturelle (Groupe scientifique sur l’eau, 2017; Ville de Montréal, 2019). Cette bactérie sert de bio-indicateur à la pollution fécale, pouvant correspondre à des microorganismes néfastes pour la santé humaine (Chevremont, Farnet, Sergent, Coulomb, et Boudenne, 2012; da Silveira, Pich, Angioletto, et Bernardin, 2011). Les différentes bactéries fécales s’éliminent dans les masses d’eau de façon comparable à la bactérie E. coli, bien que cette dernière semble plus résistante (Chevremont et al., 2012). L’élimination naturelle de cette bactérie est due aux rayons UV du soleil, à la concentration en oxygène dans l’eau, à la salinité ainsi qu’à des produits chimiques inhibiteurs ou désinfectants. Des facteurs biologiques affectent également l’abondance en E. coli dans l’eau tels que la compétition avec les microorganismes aquatiques, ainsi que la consommation par les zooplanctons (Kischel, 2018). L’hydrologie du cours d’eau ainsi que l’occupation des sols du bassin versant sont des facteurs géographiques influençant la distribution des coliformes fécaux tels que la bactérie E. coli (Rochelle-Newall et al., 2016).
Selon la concentration mesurée, la baignade (plus de 200 coliformes par 100 mL) ou les activités de plaisance (plus de 1000 coliformes par 100 mL) peuvent être déconseillées. Ces indicateurs permettent de réduire les risques sanitaires liés aux contacts avec l’E. coli (Ministère de l’Environnement et lutte contre les changements climatiques [MELCC], s. d.b). La présence de la bactérie E. coli sur un substrat ingéré par l’humain peut causer des symptômes tels que des crampes, de la fièvre, des inflammations ainsi que de la diarrhée pour les personnes ayant été en contact avec cette bactérie (Hawley et Bradford, 2019). En plus de leur présence en eaux libres, la bioaccumulation de la bactérie E. coli chez les bivalves engendre également une problématique sanitaire lorsqu’elles sont consommées par les êtres humains. Toutefois, les conséquences de cette accumulation dans l’écosystème sont peu documentées à ce jour (Balière, 2017; Kischel, 2018).
Au Québec, le suivi de la qualité de l’eau des cours d’eau inclut notamment les coliformes fécaux et l’E. coli. Le plus grand cours d’eau de cette province est le fleuve Saint-Laurent qui puise son eau des Grands Lacs ainsi que des tributaires présents dans son bassin versant. Il est un pôle commercial important reliant Montréal au reste du monde en plus de fournir de l’eau potable à près de la moitié de la population du Québec (Giroux, Hébert et Berryman, 2016). Dans cet essai, le secteur du fleuve étudié couvre l’amont du lac Saint-François jusqu’à la proximité de Portneuf, c’est-à-dire la portion est du tronçon fluvial. Sur ce territoire, plusieurs endroits présentent des caractéristiques particulières, entre autres, Montréal avec son usine d’épuration qui se jette dans le fleuve Saint-Laurent (Ville de Montréal, 2019). La population croît à proximité du fleuve et cette présence entraîne des enjeux de qualité de l’eau en matière de rejets urbains et agricoles. Le lac Saint-Pierre fait également partie du secteur de recherche puisqu’il s’agit d’un site
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Ramsar, une zone humide protégée (Ministère du Développement durable, de l’Environnement, de la Faune et des Parcs [MDDEFP], 2013b).
Malgré la rédaction de rapports par la Ville de Montréal et du MELCC (Réseau-rivières), la distribution des E. coli, spatialement et temporellement, dans le fleuve Saint-Laurent demeure incomplète et peu connue de la communauté scientifique et des citoyens. Toutefois, plusieurs données ont été recueillies au fil du temps sans nécessairement être analysées dans le but de comprendre les dynamiques de cette bactérie (MELCC, s. d.a; Université du Québec à Trois-Rivières [UQTR], sous presse; Ville de Montréal, 2018). Il s’agit d’un enjeu important puisque l’image négative de la qualité de l’eau du fleuve réduit l’envie aux riverains de se baigner de même qu’aux villes riveraines de développer des plages (MELCC, s. d.b). C’est dans l’esprit de comprendre la distribution spatiale et la dynamique temporelle de cette bactérie que cet essai cherche à intégrer le rôle hydrologique ainsi que l’occupation du territoire. Ceux-ci servent à cibler les sources d’E. coli et son devenir dans le fleuve Saint-Laurent.
Au fil des saisons, la qualité de l’eau du fleuve Saint-Laurent varie, car les intrants biotiques ainsi que la quantité d’eau changent. Au printemps, la fonte des neiges provoque la crue des eaux, inondant les rives du lac Saint-Pierre et amenant avec elle une grande quantité de polluants dans l’eau fluviale (Ville de Montréal, 2019). Mis à part les grands centres urbains, il y a majoritairement des zones agricoles et forestières à proximité du fleuve Saint-Laurent et de ses tributaires. L’occupation du territoire de ces bassins versants a un rôle dans la distribution des intrants dans ce cours d’eau québécois (Simoneau, 2017). L’objectif principal de cet essai est de dresser un portrait intégré de la distribution de la bactérie Escherichia coli dans le fleuve Saint-Laurent et de ses sources afin de diriger les futurs efforts de mitigation. Pour ce faire, il est prévu d’identifier les secteurs et les périodes où la concentration en Escherichia coli est problématique dans le fleuve. En plus d’être nocive pour la santé humaine, la bactérie E. coli est utilisée en tant qu’indicateurs, démontrant la présence d’autres microorganismes pathogènes. Il est également prévu d’établir l’origine de la bactérie, sa distribution ainsi que les relations entre l’occupation du territoire et les charges en E. coli du fleuve par les grands tributaires et les villes riveraines. Cette dernière permet de déterminer le type de corrélation entre la distribution d’E. coli en milieu hydrique et l’occupation du territoire. Il est possible d’estimer l’origine de la bactérie dans le fleuve en connaissant le rôle de l’hydrologie et des inondations dans l’exportation d’E. coli vers le fleuve. Puis une série de recommandations est formulée dans le but de réduire le déversement ou l’accumulation d’Escherichia coli dans le fleuve Saint-Laurent. Celles-ci peuvent ensuite être utilisées par les gestionnaires du territoire afin de réduire la concentration de la bactérie dans le tronçon fluvial.
Afin de pouvoir répondre à l’objectif principal et aux objectifs spécifiques énumérés précédemment, plusieurs jeux de données sont utilisés. D’abord, les missions de 2017 et 2018 du navire de recherche de l’Université du Québec à Trois-Rivières le Lampsilis ont recueilli plus d’une centaine de données disponibles pour la rédaction de cet essai. Lors de la première mission du navire, le territoire parcouru est du lacs
Saint-3
François jusqu’à Portneuf, en juillet 2017. Alors que la seconde année, la distance parcourue débute hors de la zone d’étude c’est-à-dire à l’embouchure des Grands Lacs jusqu’à Sainte-Anne-de-la-Pérade, pendant la période estivale (UQTR, sous presse). Ensuite, la ville de Montréal a échantillonné de l’ile aux Vaches à l’exutoire de la station d’épuration de Montréal jusqu’au pont Laviolette à Trois-Rivières pendant l’été et l’automne 2017 (Ville de Montréal, 2019). Puis le Réseau-rivières fournit les informations sur les tributaires se jetant dans les eaux fluviales de façon mensuelle. De plus, quelques stations de suivis sont également sur le fleuve Saint-Laurent de 2017 (MELCC, s. d.a). Les derniers jeux de données proviennent de la zone d’intervention prioritaire les Deux Rives qui a échantillonné, en automne 2019, les rives en aval du lac Saint-Pierre (Zone d’intervention prioritaire les Deux Rives, sous presse).
Dans le premier chapitre, une revue de littérature permet de connaître les effets de la bactérie E. coli dans le cours d’eau en incluant les effets sur la santé humaine et sa présence en milieu hydrique à travers le monde et dans le fleuve Saint-Laurent. Le second chapitre se concentre sur la dynamique de l’E. coli sur le fleuve Saint-Laurent dans la zone d’étude soit du lac Saint-François jusqu’à Portneuf. Le rôle de l’hydrologie dans la distribution de l’E. coli de ce milieu hydrique ainsi que la délimitation des zones sensibles va être déterminés à l’aide d’échantillons pris au cours des années 2017 et 2018. Le troisième chapitre concerne le rôle des tributaires dans la distribution des E. coli en milieu fluvial, comparant la quantité en E. coli dans les différents tributaires et en mettant en relation l’occupation du territoire afin de pouvoir mesurer les effets des tributaires et leurs bassins versants dans les différentes masses d’eau fluviales. Ce chapitre traite également de l’influence de la saisonnalité dans la dynamique de l’E. coli, où chacune des saisons fait varier la concentration en E. coli. Puis, une série de recommandations est listée dans le but d’offrir des pistes de solutions afin de réduire la problématique de ce coliforme fécal dans le milieu hydrique.
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1. EFFETS DE LA BACTÉRIE E. COLI DANS LES COURS D’EAU
La qualité de l’eau se mesure à l’aide de plusieurs indicateurs, tels que les coliformes fécaux. Dans ce groupe se retrouve le groupe des E. coli qui ont un impact sur la santé humaine, en plus d’indiquer la présence d’autres microorganismes fécaux possiblement néfaste pour la santé humaine (MELCC, s. d.b). De plus, la concentration en bactérie E. coli est influencée par les activités urbaines et agricoles (Petit et Teysseire, 2013). En plus de ces problématiques sanitaires, cette bactérie est étudiée à de nombreux endroits dans le monde ainsi que sur le fleuve Saint-Laurent.
1.1 Portrait de la bactérie Escherichia coli
Avant d’approfondir sur la problématique, il est important de déterminer au sens biologique ce qu’est la bactérie Escherichia coli ainsi que de spécifier ses origines. Il y a également un aspect sanitaire qui n’est pas à négliger, car de nombreux symptômes peuvent être associés à la présence de cette bactérie chez l’être humain.
1.1.1 Description biologique et origine de la bactérie
La bactérie E. coli regroupe en réalité 184 espèces de bactéries dont certaines causent des infections chez les êtres humains (Iguchi et al., 2014; Todd et Baker, 2018). Ce groupe de bactéries fait partie de la grande famille des Enterobacteriaceae, c’est-à-dire des bactéries en forme de bacille à Gram négatif. La figure 1.1 représente une colonie d’Escherichia coli. Ces bactéries ont plusieurs couches protégeant le cytoplasme : la membrane interne, un espace périplasmique, une couche de peptidoglycanes et une membrane externe recouverte d’une capsule. Certaines espèces d’E. coli se déplacent à l’aide de flagelles alors que d’autres utilisent des pili (Hawley et Bradford, 2019).
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La température optimale de prolifération est de 37 °C ce qui correspond à la température corporelle des humains ainsi que de plusieurs autres mammifères et animaux à sang chaud. Il s’agit d’une bactérie sous dominante aérobique pouvant également proliférer en milieux anaérobies dans le tube intestinal des mammifères, car elle est tolérante à un environnement limité en oxygène (Balière, 2017). Cette bactérie possède deux phases, soit celle de maturation dans l’intestin de plusieurs animaux puis dans un habitat moins propice lui permettant de coloniser d’autres milieux (van Elsas, Semenov, Costa, et Trevors, 2011). Les nombreuses bactéries E. coli se retrouvent dans les systèmes digestifs des animaux à sang chaud ainsi que des reptiles (Balière, 2017; Hawley et Bradford, 2019). Les bovins, les caprins ainsi que les humains excrètent cette bactérie par leurs fèces pouvant s’avérer être une souche infectieuse. Les fèces de ces espèces peuvent se rendre dans les cours d’eau ou être utilisées comme fertilisant dans les champs. C’est pourquoi les fruits et les légumes peuvent être porteurs d’E. coli, lorsque mal lavé ou lavé avec de l’eau impropre (Todd et Baker, 2018). La majorité des souches d’E. coli est sans danger pour l’humain et se retrouve naturellement dans le système digestif de plusieurs mammifères. Il reste tout de même plusieurs souches pouvant nuire à la santé des êtres humains tels que O157 H7 qui est associée à la plupart des contaminations répertoriées par ce groupe de bactéries au Canada (Todd et Baker, 2018).
Bien que la forme générale de ces bactéries soit similaire, il existe plusieurs méthodes permettant de différencier les nombreuses souches d’E. coli. La méthode servant à isoler le O-sérotype détermine souvent si la souche est pathogène ou non. Pour ce faire, l’antigène O regroupé subit un séquençage d’acide désoxyribonucléique (ADN) afin de pouvoir définir leurs sérotypes (Iguchi et al., 2014). L’ADN complet de la bactérie peut également être séquencé dans son ensemble afin de définir les locus différents d’une souche à l’autre, dans le but de classer les souches selon leurs caractéristiques biologiques (van Elsas et al., 2011). Cette bactérie peut causer divers problèmes de santé chez l’être humain.
1.1.2 Problématiques sanitaires liées à la bactérie
La diversité des souches d’E. coli ayant un gène virulent se traduit en une variété de symptômes pouvant être observé chez l’être humain. Certaines transmettent des symptômes de type entérohémorragique, c’est le cas de O157, O26, O103 et O111 (Iguchi et al., 2014). Ces bactéries produisent la Shigatoxine pouvant causer des nausées, des crampes, de la déshydratation, des vomissements et dans certains cas des diarrhées sanglantes (Hawley et Bradford, 2019; Todd et Baker, 2018). Les bactéries enthéropathogéniques s’accrochent aux parois intestinales de leurs hôtes pouvant induire des symptômes tels que de la diarrhée, de la fièvre ainsi que des vomissements. Puis, d’autres souches peuvent être enthérotoxigéniques créant des symptômes variés allant de peu de symptômes jusqu’à de violentes diarrhées (Hawley et Bradford, 2019).
La souche O157-H7 est considérée comme la souche la plus virulente de la bactérie E. coli, car elle peut entraîner un syndrome hémolytique et urémique (SHU) chez certains patients (Iguchi et al., 2014; Todd et Baker, 2018). La contamination peut s’être produite à la suite de consommation de bœufs ou de légumes
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contaminés par le fumier agricole servant d’engrais (Hawley et Bradford, 2019). Au Canada, la souche de O157-H7 touche en moyenne 470 personnes par année, ceux-ci peuvent subir de graves symptômes se rendant parfois à des décès. Cependant, la plupart des gens ont les symptômes de cette infection pendant deux semaines et se rétablissent sans avoir recours à des traitements (Todd et Baker, 2018). Les antibiotiques représentent les premiers traitements pour traiter l’infection liée à la bactérie E. coli. Pour les patients ayant contracté le SHU, il est possible que la dialyse rénale soit nécessaire, lorsque les antibiotiques ne sont pas efficaces (Hawley et Bradford, 2019). Le SHU provient du fait que les Shigatoxines traversent le tube digestif de l’intestin pour se rendre dans le sang puis dans les reins (Balière, 2017). Ce syndrome, parfois mortel, est plus souvent observé chez les enfants que les adultes (Hawley et Bradford, 2019).
En plus du tractus digestif des animaux à sang chaud, les différentes souches de la bactérie E. coli peuvent survivre et parfois même croître dans des milieux abiotiques tels que les sols ou les cours d’eau. En effet, le mode de vie biphasique de cette bactérie permet à la bactérie de survivre hors de son hôte pour éventuellement retrouver le système digestif d’un autre hôte de la même espèce ou d’une espèce différente (van Elsas et al., 2011). L’E. coli peut tout de même vivre en milieux hydriques lorsque les conditions sont favorables.
1.2 Résistance de la bactérie en milieu hydrique
La figure 1.2 illustre le cycle de vie où les deux phases de la vie de la bactérie sont présentées.
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En milieu hydrique, la quantité en bactérie Escherichia coli est majoritairement d’origine urbaine par les rejets sanitaires des villes ainsi que d’origine agricole par les engrais de fumier (Balière, 2017). Cette bactérie passe donc d’un milieu favorable pour sa croissance à un milieu rude où de nombreux facteurs influencent sa persistance dans ce nouvel habitat (van Elsas et al., 2011).
1.2.1 Habitats et temps de vie en milieu hydrique
La bactérie Escherichia coli est biphasique, c’est-à-dire qu’elle possède deux phases de vie telle qu’illustrée à la figure 1.2. D’abord, elle prolifère dans le tractus digestif d’un animal à sang chaud, la plus grande densité de cette bactérie est dans le colon. Les E. coli cohabitent avec plusieurs autres bactéries dans le mucus protégeant les cellules épithéliales du tube digestif, constituant un environnement propice à la prolifération de la bactérie E. coli (Balière, 2017). Puis, la bactérie est éjectée du tube digestif, se dirigeant vers les milieux naturels. Ce second habitat est considérablement différent et instable, à l’inverse du premier, qu’il s’agisse de fumier, de sols, de sédiments ou de l’eau libre (Balière, 2017; van Elsas et al., 2011). Sous ces nouvelles conditions, la bactérie est capable de s’adapter afin de favoriser sa survie dans ce nouvel habitat. Plusieurs facteurs de stress sont présents pouvant réduire la concentration de l’E. coli dans ce milieu (van Elsas et al., 2011). Ces conditions de stress peuvent également induire une période de dormance permettant à E. coli de persister dans le milieu jusqu’à ce que les conditions soient favorables (Campos, Kershaw, et Lee, 2013; van Elsas et al., 2011). Plusieurs conditions peuvent induire une période de dormance pour cette bactérie, telles que le déficit nutritionnel, une radiation solaire importante ainsi qu’une augmentation de la salinité (Campos et al., 2013). La présence d’une forte concentration de nutriments dans l’environnement peut faire sortir la bactérie E. coli hors de sa période de dormance (van Elsas et al., 2011).
La survie de la bactérie E. coli en milieu naturel varie grandement entre le milieu terrestre et aquatique. Dans le fumier, le taux de survie est favorable, car les conditions sont comparables à son habitat primaire. Bien que le temps de survie de la bactérie ne soit pas estimé, certaines toxines peuvent rester jusqu’à 24 mois dans les fèces humaines et 38 mois dans les fèces bovines (Balière, 2017). C’est pourquoi les fumiers épandus peuvent être une source importante d’E. coli ruisselant jusque dans les cours d’eau. Dans ces derniers, la bactérie peut coloniser les sédiments ou l’eau libres. Dans les sédiments, l’E. coli peut survivre entre 65 et 80 jours alors qu’en eau libre salée, elle survit au plus 20 jours (Balière, 2017; Campos et al., 2013). La survie dans les cours d’eau varie selon sa salinité, en eau douce l’E. coli peut survivre 60 jours, soit trois fois plus longtemps qu’en eau salée (Balière, 2017). En observant la variation de persistance de l’E. coli dans l’environnement, il est évident que plusieurs facteurs influencent le taux de survie de cette bactérie.
1.2.2 Variables influençant la survie de l’E. coli dans l’environnement
La transition entre le tractus digestif d’un animal vers un milieu ouvert tel que le sol ou l’eau, modifie grandement les conditions de survie de la bactérie E. coli. Celle-ci passe d’un milieu où la température, le
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pH ainsi que les nutriments sont relativement constants vers un endroit où la bactérie est exposée à de nombreuses variations (Balière, 2017). Plusieurs de ces facteurs influencent la survie des E. coli dans l’environnement, car ceux-ci peuvent être abiotiques ou biotiques (Campos et al., 2013).
Selon les recherches de Campos et ses collaborateurs (2013), le plus grand élément limitant la survie de la bactérie E. coli en milieu hydrique, particulièrement en milieu estuarien, est la radiation solaire. En effet, leur revue de littérature à ce sujet démontre que le temps de vie de la bactérie est 27 fois plus court sous la lumière que dans la noirceur. Cependant, les effets de la lumière varient selon la latitude de la zone d’étude, car l’intensité lumineuse change (Balière, 2017). Les effets de la luminosité sont souvent liés à ceux de la température, en favorisant la survie de la bactérie E. coli lorsque celle-ci augmente s’approchant de la température optimale permettant sa croissance (van Elsas et al., 2011). La vie de l’E. coli est donc compromise lorsque la température est basse. Une exposition prolongée à de fraîches températures telles que 11 °C ou 7 °C peut considérablement réduire la densité d’E. coli dans le milieu (Campos et al., 2013; van Elsas et al., 2011). La variation rapide de température peut également avoir des effets néfastes sur la bactérie créant un stress, que ce soit une diminution ou une augmentation de la température (van Elsas et al., 2011).
En milieu naturel, le pH varie davantage que dans le système digestif des animaux à sang chaud. La bactérie E. coli a un meilleur taux de survie dans les milieux acides tels que les sols riches en purin servant de fertilisant (Balière, 2017). Parmi les nombreuses souches de la bactérie, peu de sérotypes ont la capacité de survivre aux milieux acides créant donc une population peu diversifiée (van Elsas et al., 2011). De plus, la survie des bactéries dépend de la quantité de nutriments disponibles dans l’environnement. Les nutriments proviennent des sédiments ainsi que les affluents, tous les deux accompagnés de population d’E. coli qui ont un meilleur taux de survie (Campos et al., 2013). Les communautés d’E. coli sont capables d’absorber différentes sources de carbone, malgré tout, la rareté des nutriments réduit la survie de la bactérie (van Elsas et al., 2011). Dans les cours d’eau, les nutriments sont majoritairement dans les premiers centimètres de sédiments, laissant la zone d’eau libre quasiment dépourvue de nutriments pour l’E. coli (Campos et al., 2013; van Elsas et al., 2011). Cependant, certains cours d’eau riches en nutriments peuvent favoriser la présence de cette bactérie dans l’eau libre tels que les tributaires agricoles (Miller, Schoonover, Williard, et Hwang, 2011). La turbidité de l’eau indique que les nutriments sont élevés en eau libre, les particules proviennent des affluents ainsi que des sédiments remis en suspension lors des périodes de crue (Campos et al., 2013).
En plus de ces facteurs abiotiques, plusieurs facteurs biotiques affectent la survie de l’E. coli en milieu naturel. En présence de cours d’eau oligotrophes, les nutriments se sédimentent réduisant la quantité disponible pour la bactérie pouvant également engendrer la compétition entre l’E. coli et les bactéries indigènes du milieu (Balière, 2017). Dans un nouvel écosystème déjà riche en microorganismes, la bactérie E. coli peut avoir de la difficulté à persister, car elle entre en compétition avec des espèces déjà capables
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d’avoir accès aux nutriments. Il a été observé qu’en condition stérile, les colonies d’E. coli peuvent croître en raison de l’absence de compétiteur et prédateur. Cependant, sa survie en présence de compétiteurs n’est toutefois pas toujours létale, car l’E. coli est capable de s’adapter rapidement dans son milieu (van Elsas et al., 2011). Il n’est pourtant pas possible de formuler une hypothèse à la suite de ces informations, car il y a trop peu d’information sur les effets de la disponibilité des nutriments permettant de prédire la concentration en E. coli dans les cours d’eau. Les interactions entre l’E. coli et les autres microorganismes peuvent être nuisibles, notamment les protozoaires qui consomment la bactérie en milieu hydrique ainsi que dans le fumier (Campos et al., 2013; van Elsas et al., 2011). Il a été démontré que l’Acanthamoeba polyphaga est un protozoaire qui s’attaque à la souche O157 H7 de l’E. coli, soit la souche la plus infectieuse au Canada (Todd et Baker, 2018; van Elsas et al., 2011). De surcroit, une corrélation positive entre la température et la présence de protozoaire cilié réduit la quantité d’E. coli dans le milieu, à cause de leur prédation. Malgré une température favorable pour la bactérie E. coli, il est tout de même possible que son effectif diminue. En habitat eutrophe, la pression de prédation subite par l’E. coli provient également des rotifères qui s’en prennent aux bactéries présentes en eaux libres dans le milieu (Campos et al., 2013). Bien que des effets bien précis aient été observés sur des interactions entre l’E. coli et des espèces spécifiques, le rôle de la biodiversité microbienne ne semble pas avoir d’impact sur la survie de la bactérie E. coli (van Elsas et al., 2011). En somme, la prédation ainsi que la radiation solaire sont les facteurs qui réduisent le plus le taux de survie de la bactérie E. coli (Campos et al., 2013).
1.2.3 Variation de la densité d’E. coli selon les saisons
L’effet des saisons occasionne une variation de la plupart des facteurs influençant la survie de la bactérie E. coli. La variation de température induit un changement de l’abondance des souches d’E. coli dans l’environnement ainsi qu’une réduction de concentration (Campos et al., 2013; Lyautey et al., 2010; Stanford, Johnson, Alexander, McAllister, et Reuter, 2016). En effet, Lyautey et ses collaborateurs (2010) suggèrent qu’il y a une transition entre les souches présentes dans un bassin versant ontarien, proposant que l’origine des bactéries change selon les saisons. L’équipe de Stanford, en 2016, confirme cette hypothèse en analysant le bovin d’abattage des Prairies canadiennes et en démontrant la transition des sérotypes O26, O103, O121 et O157 en été vers les sérotypes O45 et O111 en hiver. De plus, bien que les déchargements agricoles soient sensiblement les mêmes en Amérique du Nord, il est prouvé que la concentration de bactéries dans les déchargements de fumier hivernaux est significativement moins importante (Campos et al., 2013; Stanford et al., 2016). Pour ce qui est des activités des effluents urbains, peu d’informations en période hivernale sont disponibles, leurs écoulements peuvent peut-être expliquer la présence hivernale d’E. coli (Stanford et al., 2016).
De plus, les évènements de pluie entraînent une grande quantité de bactéries et altèrent la qualité de l’eau en la rendant turbide (Tornevi, Bergstedt, et Forsberg, 2014). Ces épisodes de crue favorisent le déplacement des bactéries par le lessivage du sol vers les cours d’eau (Lyautey et al., 2010). Les épisodes de pluie peuvent expliquer près de 50 % de la variation de concentration en E. coli au printemps alors qu’elle
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explique 20 % de variation en hiver et automne pour une rivière de la Suède (Tornevi et al., 2014). C’est pourquoi les tempêtes et les coups d’eau doivent être pris en comptes lors de l’étude de la dynamique de la bactérie E. coli dans les cours d’eau.
La luminosité varie également selon les saisons, induisant une plus grande radiation en été qu’en hiver, car le temps d’ensoleillement est plus grand qu’en hiver. De surcroit, une couche de glace peut recouvrir les cours d’eau limitant également la pénétration de la lumière dans la masse d’eau (Häder et al., 2015). La radiation solaire par les rayons ultra-violets (UV) a la capacité de dégrader l’ADN des bactéries telle que l’E. coli (Chevremont et al., 2012). La radiation solaire peut également varier selon la quantité de nutriment en eaux libres ainsi qu’avec la turbidité. En effet, ces deux variables réduisent la pénétration de la lumière dans les cours d’eau, l’empêchant de se rendre plus profondément dans la colonne d’eau (Häder et al., 2015). L’effet de la saisonnalité de la radiation solaire peut favoriser la présence de la bactérie E. coli dans les cours d’eau, lorsque les températures hivernales sont clémentes (Tornevi et al., 2014). Selon plusieurs recherches, la température optimale pour cette bactérie est de 37 °C, mais E. coli a été observé à des températures descendant entre 7 et 11 °C (van Elsas et al., 2011). En période hivernale d’Amérique du Nord, la température est la variable limitant la densité d’E. coli, malgré la réduction des effets de la radiation solaire (Stanford et al., 2016). Le niveau des cours d’eau varie grandement au fil des saisons, induisant également une fluctuation de la densité de la bactérie E. coli ainsi que ses prédateurs (Campos et al., 2013). En période de crue, l’augmentation de la quantité d’eau et son débit crée une dilution de la concentration en E. coli. Lorsqu’une quantité importante d’eau est transportée rapidement, la remise en suspension de la matière peut toutefois augmenter la concentration en E. coli en eau libre (Balière, 2017). Les concentrations en E. coli dans les cours d’eau varient selon les saisons ainsi que les précipitations. En effet, il peut y avoir près de 50 % plus d’E. coli au printemps qu’en automne (Lyautey et al., 2010). Au Michigan, le département de la santé estime que 65 000 gallons de matières fécales non traitées sont rejetés dans les cours d’eau de l’état chaque année (Pandey, Soupir, Haddad, et Rothwell, 2012). Il est donc important de prendre en compte la saisonnalité ainsi que les facteurs biotiques et abiotiques afin de comprendre les tendances de la concentration en E. coli dans les cours d’eau. En effet, plusieurs variables peuvent influencer la présence de la bactérie tout en étant corrélées les unes avec les autres. Étant donné que la bactérie E. coli est présente dans les fèces des mammifères, elle est retrouvée partout dans le monde.
1.3 Problématique de L’E. coli à travers le monde
Les bactéries E. coli ont été mesurées dans plusieurs grands fleuves et rivières dans le monde. Pour chacune, des régions, l’origine de la bactérie, l’étendue de la problématique ainsi que les effets environnementaux et sanitaires varient (Chahboune, Chahlauoi, et Zaid, 2014; Passerat, Ouattara, Mouchel, Rocher, et Servais, 2011). La situation sur les différents continents varie beaucoup, car les conditions de vie, la densité de population, la météo et la disponibilité en eau ne sont pas les mêmes.
11 1.3.1 Situation en Afrique
Dans le continent africain, la densité de population est en constante augmentation, forçant également l’efficacité agricole afin de pouvoir nourrir les populations. Cette densité de population peut altérer davantage la qualité de l’eau due à des réseaux de récupération d’eaux usées inadéquats réduisant considérablement l’accessibilité en eaux potables sur ce continent (Gemmell et Schmidt, 2012). Cette augmentation de population engendre des problèmes sanitaires liés aux rejets d’eaux usées par des installations non conformes ou simplement absentes amenant l’eau chargée de coliformes fécaux directement dans les cours d’eau (Chahboune et al., 2014; Nougang et al., 2011). Certaines méthodes de traitements des eaux usées peuvent être efficaces telles que des usines de filtrations mécaniques et les étangs d’aérations. Ces usines peuvent avoir jusqu’à 90 % d’efficacité, alors que les fosses septiques de ce continent n’ont qu’en moyenne 40 % d’efficacité (Fulazzaky, Seong, et Masirin, 2010). De plus, les différentes activités agricoles du continent sont une seconde source d’E. coli en milieu hydrique. L’érosion des sols agricoles fraîchement épandus ou des parcelles agricoles où le fumier est entreposé transporte l’eau chargée de bactéries E. coli dans les rivières (Chahboune et al., 2014; Fulazzaky et al., 2010). Les animaux domestiques des peuples nomades majoritairement des ovins peuvent créer des rejets dans la nature et dans les cours d’eau lorsqu’ils vont s’abreuver (Chahboune et al., 2014; Nougang et al., 2011). Les animaux sauvages peuvent également avoir un impact lors des migrations ou même la faune sauvage excrétant dans leurs habitats puis dans les cours d’eaux (Chahboune et al., 2014). Finalement, une dernière source d’E. coli dans les cours d’eau peut être due à des rejets de matières fécales illégales dans l’environnement (Gemmell et Schmidt, 2012).
En fonction de l’occupation du territoire, de la gestion de l’eau et des gouvernements des différents pays africains, la qualité de l’eau peut grandement varier. Gemmell et Schmidt (2012) ont étudié la qualité de l’eau de la rivière Baynespruit, en Afrique du Sud, où la concentration d’E. coli varie entre 7300 unités formant des colonies par volume de 100 millilitres (UFC/100 mL) et 301 000 UFC/100 mL avec une moyenne de 77 400 UFC/100 mL. L’association mondiale de la santé émet la recommandation de ne pas utiliser l’eau ayant une concentration excédant 1000 UFC, soit 77 fois mieux que la moyenne observée dans cette région de l’Afrique du Sud. Les concentrations en E. coli dans l’eau y sont si grandes que l’irrigation des terres agricoles et le rinçage des fruits et légumes sont fortement déconseillés (Gemmell et Schmidt, 2012). Au Maroc, la situation est assez différente à proximité du barrage Hissan II, car la qualité de l’eau est assez bonne pour permettre aux gens de consommer l’eau, lorsque la qualité de l’eau répond aux normes du pays (Chahboune et al., 2014).
Au niveau de la santé, la présence d’E. coli dans les cours d’eau affecte la population qui utilise l’eau à leur disposition sans nécessairement connaitre la qualité bactériologique du cours d’eau. En effet, plusieurs cas d’infections peuvent être liés à la présence d’E. coli dans l’eau que les gens consomment. Dans l’étude de Nougang et ses collaborateurs (2011) parmi les 13 points d’eau analysés, 11 cas d’infections de la bactérie E. coli d’un sérotype hétéropathogène ont été répertoriés dans la région Yaoundé au Cameroun. De plus,
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cette étude relate de nombreux risques d’infections causés par le sérotype O157 qui est l’un des plus infectieux (Nougang et al., 2011; Todd et Baker, 2018).
Bien que la situation en Afrique soit différente de celle en Europe ou au Québec, il est tout de même possible de faire un parallèle avec les grands centres urbains. En effet, l’efficacité ou la présence des usines d’épuration des eaux usées, ainsi que l’occupation du territoire peuvent être mises en cause puisqu’ils n’ont pas été conçus pour autant de gens (Gemmell et Schmidt, 2012; Hébert, 2016).
1.3.2 Situation en Europe
En Europe, la situation en E. coli est différente de celle en Afrique. Par exemple, les installations de traitement des eaux usées sont présentes, malgré le fait qu’elles peuvent être une source de rejet dans le milieu hydrique. Les sources d’E. coli issues des installations de traitement peuvent être dues à des traitements non adaptés des eaux usées, à l’étanchéité des tuyaux, aux mauvais raccordements du réseau ainsi qu’à des surverses du réseau de collecte (Kischel, 2018). Le réseau de collecte peut être surchargé en période de pluie lorsque les eaux usées et les eaux de pluie partagent les mêmes conduites d’égout, car c’est à ces périodes que des déversements en milieux hydriques peuvent se produire (Kischel, 2018; Tornevi et al., 2014). En plus de la pluie, la densité de population affecte la Seine. Ce fleuve traverse Paris, où 75 % de la pollution en coliformes fécaux provient de la capitale française et ses arrondissements (Passerat et al., 2011). Une autre source importante de bactérie E. coli dans les réseaux hydriques européens proviendrait des activités agricoles, soit par le lessivage des sols fertilisés en lisier ou fumier ou par l’érosion des terrains réservés aux pâturages des animaux (Kischel, 2018; Vermeulen et Hofstra, 2014). De plus, plusieurs bateaux de plaisance habités ne disposent pas de systèmes de récupération d’eau noire, ceux-ci représentent une source de coliformes fécaux dans les cours d’eau sur lesquels ils naviguent (Kischel, 2018).
Parmi les recherches européennes, plusieurs conclusions ont été émises quant aux zones d’accumulations et des effets de la météo sur la concentration en E. coli dans l’eau. La bactérie E. coli est capable de s’associer aux matières en suspension pouvant être plus abondantes dans la matière organique que dans l’eau vive. L’eau peut remettre en suspension les sédiments libérant de 47 à 69 % de la concentration d’E. coli lorsque les conditions sont favorables, telles que des précipitations (Passerat et al., 2011). En périodes de pluie, la concentration en E. coli dans les cours d’eau peut quadrupler, comparé au temps sec, que ce soit par la remise en suspension de la bactérie ou par le lessivage des sols (Passerat et al., 2011; Tornevi et al., 2014). De plus, la Seine subit beaucoup de pression anthropique par la ville de Paris et ses arrondissements. Les débordements d’égouts combinés de la ville et ses arrondissements augmentent de 7 à 9 fois la concentration en coliformes fécaux comparés en amont de Paris (Passerat et al., 2011). La santé de la population européenne peut être affectée par les grandes concentrations en E. coli dans les cours d’eau. Certaines activités sont interdites lorsque la concentration en E. coli dépasse la mesure seuil
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déterminée par la région soit de 500 UFC/100 mL. La baignade, ou la consommation des produits conchylicoles sont interdites lorsque la concentration est trop élevée, car il y a des risques de gastro-entérite (Kischel, 2018). Ce seuil est plus grand que les normes permises au Québec où il faut une concentration inférieure à 200 UFC/100 mL afin de pouvoir autoriser la baignade (MELCC, s. d.b). L’Europe s’intéresse également aux produits conchylicoles, des espèces de bivalves ayant la capacité d’accumuler les polluants hydriques telle que l’E. coli de 10 à 100 fois plus concentré dans les tissus que dans leur habitat. Dans cette région du monde, la consommation de ces invertébrés est importante, et la bioaccumulation de l’E. coli dans leurs tissus représente un risque sanitaire pour la population humaine (Balière, 2017; Kischel, 2018). 1.3.3 Situation en Amérique
En Amérique, les sources d’E. coli en milieu hydrique sont similaires à ce que l’on retrouve en Europe, bien que la superficie des bassins versants soit plus grande (Dalla et al., 2015; Lyautey et al., 2010; Verhougstraete, Martin, Kendall, Hyndman, et Rose, 2015). Les sources d’E. coli dans les Amériques proviennent majoritairement de l’humain et ses activités (Lyautey et al., 2010). Les activités agricoles ont un fort impact sur la concentration d’E. coli en milieu hydrique. Lorsqu’une grande partie du bassin versant pratique de grandes cultures telles que le maïs, le fumier et les pesticides utilisés peuvent ruisseler jusqu’au cours d’eau et rendent l’eau chargée en coliformes fécaux et polluants agricoles (Pandey et al., 2012). De plus, les E. coli d’origine bovine issus de la production laitière ont été observés de façon prédominante dans certains secteurs de l’Ouest canadien (Lyautey et al., 2010).
En outre, plusieurs études sur la diversité génétique des sérotypes dans les cours d’eau démontrent que pour chacune des saisons il y a des souches infectieuses (Iguchi et al., 2014; Lyautey et al., 2010). Pour la plupart des sérotypes, ils sont présents dans les cours d’eau durant toutes les saisons, cependant 4,6 % des sérotypes sont observés lors d’une seule saison (Lyautey et al., 2010).
Lorsque la concentration en E. coli dans l’eau est forte, par exemple au-delà de 200 UFC/mL la baignade est interdite afin de limiter les risques d’infection due à la bactérie E. coli. De plus, une concentration de 1000 UFC/mL et plus engendre une interdiction de pratique récréative, telle que le bateau de plaisance (MELCC, s. d.b). De plus, au Michigan, une forte concentration en E. coli compromet la baignade, la consommation de poissons et de fruits de mer (Verhougstraete et al., 2015).
1.3.4 Comparaison entre les continents
Bien que l’Afrique, l’Europe ainsi que l’Amérique soient des continents assez différents, il y a tout de même des similitudes entre eux. Notamment quant à la gestion des usines d’épuration des eaux usées qui ne supporte pas la densification de la population. De plus, dans certaines villes d’Afrique, il n’y a pas de méthode d’épuration des eaux usées, c’est également le cas pour certaines municipalités québécoises (Gemmell et Schmidt, 2012; Hébert, 2016). Dans ces trois continents, l’effet de l’agriculture sur la concentration d’E. coli dans les cours d’eau est visible (Balière, 2017; Chahboune et al., 2014; Lyautey et
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al., 2010). En Afrique, malgré une certaine proportion d’agriculture nomade, les sols sont fertilisés en fumiers pouvant ruisseler vers les cours d’eau (Chahboune et al., 2014). En Europe et en Amérique, l’agriculture moderne peut également engendrer des ruissellements de fumier dans les cours d’eau, qui est une source d’E. coli (Balière, 2017; Pandey et al., 2012).
La gestion de la qualité bactériologique de l’eau varie d’un continent à l’autre. En effet, en Amérique la baignade est permise lorsque la concentration en E. coli est en dessous de 200 UFC/100 mL alors qu’en Europe le seuil permettant cette activité est de 500 UFC/100 mL (Kischel, 2018; MELCC, s. d.b). En Afrique, quant à eux la norme permettant l’irrigation est d’une concentration inférieure à 1000 UFC/100 mL (Gemmell et Schmidt, 2012). Ce seuil représente l’interdiction de faire des activités de plaisance, en Amérique du Nord (MELCC, s. d.b). En Afrique, des rejets illégaux de matière fécale dans les cours d’eau ont été recensés, chose qui ne semble pas avoir été observée ailleurs (Gemmell et Schmidt, 2012). En Europe, la qualité de l’eau n’est pas la seule variable analysée pour mesurer la contamination en E. coli dans les cours d’eau. Les bivalves sont analysés, afin d’éviter l’empoisonnement des gens consommant ces invertébrés (Balière, 2017; Kischel, 2018). Cette pratique ne semble pas être commune sur les autres continents.
1.4 Présentation du fleuve Saint-Laurent
Les Grands Lacs ainsi que plusieurs rivières alimentent le fleuve, cependant la qualité de l’eau varie en fonction de son origine. En effet, l’eau provenant des différentes sources forme des masses d’eau ne se mélangeant pas dans le fleuve à cause des différentes forces hydrologiques (Ville de Montréal, 2019). Les deux sources principales d’eau sont les Grands Lacs apportant de l’eau verte et la rivière des Outaouais apportant de l’eau brune (Groupe de travail suivi de l’état du Saint‑Laurent, 2014). De plus, la masse d’eau centrale suivant le chenal de navigations du fleuve, entraîne entre autres l’eau issue de l’usine d’épuration de la ville de Montréal (Ville de Montréal, 2019).
1.4.1 Paysage fluvial de la zone d’étude
Au Québec, le fleuve Saint-Laurent est touché par la problématique de la bactérie E. coli, par l’occupation du territoire sur l’ensemble de son bassin versant. La zone d’étude de cet essai est de l’amont du lac Saint-François jusqu’à la municipalité de Portneuf, la figure 1.3 représente la carte de cette zone, c’est-à-dire le tronçon fluvial du Saint-Laurent. Cette section du fleuve Saint-Laurent comprend trois lacs fluviaux: le lac Saint-François, le lac Saint-Louis et le lac Saint-Pierre. Plusieurs archipels d’iles façonnent également le paysage du fleuve, celles-ci agissent comme puits de carbone, pouvant améliorer la qualité de l’eau (Grater, 2018). De plus, plusieurs centres urbains tels que Montréal et Trois-Rivières ont un rôle dans la qualité de l’eau du fleuve.
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Figure 1.3 Carte de la zone d’étude entre le lac Saint-François et la ville de Portneuf, illustrant les rivières et les lacs fluviaux (couche de fond tirée de : Ressources naturelles Canada, 2019)
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Parmi les lacs fluviaux, le lac Saint-Pierre est le plus volumineux, possédant l’archipel des iles de Sorel en amont (Frenette, Massicotte, et Lapierre, 2012). Entre Sorel-Tracy et Trois-Rivières, le lac Saint-Pierre est un élargissement du fleuve Saint-Laurent, où une douzaine de rivières ayant des bassins versants s’y jette (MDDEFP, 2013b). De plus, le lac Saint-Pierre subit des effets des usines de traitement des eaux usées au centre de celui-ci, bien qu’une réduction de la concentration soit observée (Ville de Montréal, 2019) Les rives de ce lac sont caractérisées par des milieux humides reconnus comme un site Ramsar, un milieu humide d’importance internationale (MDDEFP, 2013b). Le lac Saint Pierre aide à l’amélioration de la qualité bactériologique du fleuve Saint-Laurent, car la qualité de l’eau est nettement meilleure en aval qu’en amont (Giroux, Hébert, et Berryman, 2016; MDDEFP, 2013b). Toutefois, la qualité bactériologique du lac Saint-Pierre ainsi que de l’ensemble du fleuve varie d’une année à l’autre selon le débit du fleuve, des eaux de ruissellement, des précipitations ainsi que la fréquence et l’intensité des débordements des égouts municipaux (Giroux et al., 2016).
À Montréal, l’exutoire de l’usine de traitement des eaux usées se fait dans le secteur de l’ile aux Vaches. La ville de Montréal fait donc un suivi de la qualité de l’eau de surface, dans le but de suivre les impacts de l’usine et ces épisodes occasionnels de débordement (Ville de Montréal, 2018, 2019). Le programme Courdo permet de faire un suivi de la qualité de l’eau de l’exutoire de l’usine de traitement des eaux usées jusqu’au pont de Trois-Rivières, c’est-à-dire 104 km en aval de la ville tel qu’illustré à la figure 1.3. Il s’agit d’un programme mené par la ville de Montréal afin de suivre les effets de la station d’épuration des eaux usées de Montréal sur les écosystèmes en aval de celle-ci. En 2017, les concentrations en E. coli à la sortie de l’usine sont plus de 600 000 UFC/100 mL alors qu’à Sorel-Tracy, à 44 km en aval la concentration est 12 000 UFC/100 mL (Ville de Montréal, 2019). Ces mesures excèdent de 12 à plus de 600 fois la limite permise pour pratiquer des activités avec des possibilités de contacts indirects tels que la pêche sportive et le canotage (Ville de Montréal, 2018). Pendant l’année 2017, une crue exceptionnelle causant des inondations altère les activités bactériologiques dans le fleuve amplifiant les effets de l’usine de traitement de Montréal (Ville de Montréal, 2019). De plus, des épisodes de fortes pluies peuvent mener à un débordement d’eaux usées réduisant ainsi la qualité des eaux de surfaces. En été, en moyenne une dizaine d’épisodes de pluie mènent à un débordement d’eaux usées (Ville de Montréal, 2018). La masse d’eau issue de l’usine de traitement des eaux usées de Montréal reste au centre du fleuve, vers la rive nord, sans toutefois la rejoindre (Ville de Montréal, 2019).
1.4.2 Masse d’eau verte
L’eau provenant des Grands Lacs traverse une grande densité de population ainsi que de nombreuses industries au Canada et États-Unis (Groupe de travail suivi de l’état du Saint‑Laurent, 2014; Marsh, 2015). Parmi les cinq Grands Lacs, c’est le lac Ontario qui se jette dans le fleuve Saint-Laurent à Everett Point. De ce point à Montréal, la dénivellation est brusque formant donc des rapides (Marsh, 2015). Étant l’une des deux principales sources du fleuve Saint-Laurent, l’eau des Grands Lacs permet de contrôler la quantité de
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l’eau du fleuve limitant l’effet des crues, par la présence de divers barrages à fleur d’eau (Groupe de travail suivi de l’état du Saint‑Laurent, 2014).
La masse d’eau issue des Grands Lacs est caractérisée par une couleur verdâtre, qui ne se mélange que très peu avec l’eau provenant des autres affluents tels que la rivière des Outaouais (Groupe de travail suivi de l’état du Saint‑Laurent, 2014; Ville de Montréal, 2019). Cette masse d’eau suit la rive sud favorisée par un écoulement laminaire sur une longue distance du fleuve. Au lac Saint-Pierre, l’eau verte va se décaler vers le centre du cours d’eau, car les tributaires de la rive sud relâchent leur eau dans le fleuve forçant un mélange avec une partie de la masse d’eau verte. La voie maritime entraîne également le mélange des deux masses d’eau dans ce secteur du fleuve (Ville de Montréal, 2019).
En amont de Montréal, le lac Saint-François est dominé par les eaux vertes et la qualité de l’eau est excellente ou bonne (Groupe de travail suivi de l’état du Saint‑Laurent, 2014; MDDEFP, 2013a; Ville de Montréal, 2019). Parmi les variables analysées de la qualité de l’eau, la concentration en E. coli indique qu’il n’y a pas de dépassement des normes de 200 UFC/100mL permettant d’entrer en contact avec l’eau (Groupe de travail suivi de l’état du Saint‑Laurent, 2014; Ville de Montréal, 2018).
De plus, la diversité de la communauté de macro invertébrée n’est pas préoccupante sur ce point d’eau et la contamination des sédiments est parmi les moins préoccupantes avec le lac Saint-Louis qui possède également une grande proportion d’eau verte (Groupe de travail suivi de l’état du Saint‑Laurent, 2014). L’eau verte possède une eau de bonne qualité grâce à son temps passé dans les Grands Lacs, permettant de décanter une certaine quantité de polluants (MDDEFP, 2013a).
1.4.3 Masse d’eau brune
La masse d’eau brune provient en majorité de la rivière des Outaouais se jetant dans le fleuve ainsi que les rivières de la rive nord du fleuve. La masse d’eau brune est également composée de l’eau issue des tributaires de la rive nord, longeant cette rive, et entraînant chacune une charge annuelle en E. coli unique selon leur bassin versant. La qualité de l’eau à proximité des rives a été analysée au niveau des plages en 2009 (Hébert, 2010). À Lanoraie, la qualité de l’eau lors des 10 visites estivales était considérée comme polluée avec une moyenne géométrique de 761 UFC/100 mL. En effet, selon Hébert (2010) cette mauvaise qualité de l’eau serait due aux débordements d’eaux usées non traitées des rivières de l’Assomption, des Prairies ainsi que des Mille-Iles dans le fleuve. De plus, ce texte met en lumière l’importance de la qualité de l’eau des tributaires sur celles des rives. Les tributaires moins volumineux que la rivière des Outaouais influence la qualité bactériologique de la masse d’eau brune que sur une petite distance en aval de leur exutoire.
Les tributaires du fleuve Saint-Laurent ont également une influence sur la qualité des communautés bactériologiques, car certaines apportent une grande quantité d’eau ainsi que de particules dans le lit du
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fleuve Saint-Laurent (Ville de Montréal, 2019). Pour connaître ce qui se passe de particulier avec ces masses d’eau, une analyse de la distribution en E. coli dans le tronçon fluvial est requise.
De plus, l’usine d’épuration des eaux usées de la ville de Montréal présente sur la pointe est de l’ile rejette une quantité d’eau significative. Cette masse est alors coincée entre la masse d’eau verte du sud et la masse d’eau brune du nord, empêchant l’eau usée partiellement filtrée de se rendre près des rives du fleuve. La masse d’eau centrale transporte ainsi les eaux polluées jusqu’en amont du lac Saint-Pierre (Ville de Montréal, 2019).
1.4.4 Rivières présentes dans la zone d’étude
En amont de l’ile de Montréal, la rivière des Outaouais est un tributaire important du fleuve Saint-Laurent. En plus de son débit important, cette rivière occupe un bassin très volumineux dominé par la forêt. Selon le portrait sommaire rédigé par le Ministère du Développement durable, de l’Environnement et de la Lutte contre les changements climatiques (MDDELCC, 2015), le couvert forestier occupe 73 % du bassin versant de la rivière des Outaouais. Le bassin versant de cette rivière couvre plusieurs régions du Québec, telles que l’Outaouais, une portion de la Lanaudière et de l’Abitibi. Autrefois, cette rivière était utilisée par l’industrie du bois, où la drave était pratiquée afin de déplacer rapidement les billots de bois. En plus de l’industrie forestière, le paysage forestier a été modifié par plusieurs barrages présents sur les différents cours d’eau de ce bassin versant, inondant plusieurs forêts. L’ensemble de ces barrages ont théoriquement la capacité de réguler le débit d’eau de l’ensemble du bassin versant. Cependant, plus de 50 % de la capacité de stockage se situe en amont, réduisant considérablement la capacité de gestion du débit lors d’une crue. Le réseau hydrique occupe quant à lui 19 % du bassin versant par la présence de plusieurs lacs, réservoirs et rivières. Pour ce qui est de l’agriculture, seulement 3 % de la partie québécoise du bassin versant est consacrée à cette occupation. En 2013, le nombre d’exploitations a été dénombré à 2700 fermes dans ce bassin versant. Les cultures de maïs, soya et céréales occupent 15 % du territoire des régions de l’Outaouais et de Lanaudière et 5 % de l’Abitibi. Les milieux urbains tels que les villes de Gatineau et d’Ottawa représentent 1 % de ce bassin versant. Bien que la majorité des 1 138 200 habitants résident dans ces deux villes, la population est répartie à travers le bassin versant. L’agglomération Gatineau-Ottawa est un des secteurs du bassin versant de la Rivière des Outaouais où la qualité de l’eau est la plus problématique (MDDELCC, 2015).
Puis, la rivière des Prairies se situe entre deux grandes villes du Québec, soit Montréal et Laval, deux iles présentes sur le fleuve Saint-Laurent (Institut de la Statistique du Québec, 2017). Cette rivière est alimentée par le lacs des Deux Montagnes ainsi que ses iles urbanisées (Tremblay, Drolet, et Girard-Brisson, 2015). La rivière des Mille-Iles est quant à elle entre la rive nord et l’ile de Laval. Cette ile est séparée de l’ile de Montréal par la rivière des Prairies (Ville de Montréal, 2019). Selon Tremblay et ses collaborateurs, le bassin versant de la rive nord de la rivière des Mille-Iles est occupé à 48 % d’agriculture, à 28 % de boisés et à 20 % de zones urbaines. Trois cultures occupent la majorité du territoire agricole soit le maïs à 24 %, le
